Как возникли биолюминесцентные системы?

Перейти в оглавление раздела:Поведение и окружающая среда

* Свечение организмов и эволюция

* Кальмар-светлячок

Как возникли биолюминесцентные системы?

Итак, Дарвин отметил, что появление биолюминесценции трудно объяснить с позиции теории естественного отбора. Полезный эффект свечения всецело связан со зрительным восприятием и ответным поведением животных. Следовательно, повышать шансы выживания может только биолюминесценция, хорошо заметная в темноте. Кроме того, световые вспышки должны быть приурочены ко вполне определенным ситуациям, скажем, сопровождать защитную двигательную реакцию, вызванную приближением хищника, и отпугивать или дезориентировать его. Иначе свечение не даст никакой пользы, скорее нанесет вред.

Плавный, постепенный переход к свечению, хорошо заметному адаптированным к темноте глазом, невозможен – ведь ниже порога видимости не будет влияния на отбор. Следовательно, у небиолюминесцентных видов должны время от времени возникать мутанты, ярко светящиеся, например, при испуге, что повышает шансы спастись от хищника. Только так может начинаться процесс естественного отбора, приводящий к дальнейшему усовершенствованию биолюминесцентной системы.

Заметим, пока таких мутантов – «белых ворон» среди заведомо небиолюминесцентных видов – никто не видел, не искал, не пытался получить действием мутагенов. Описаны только упомянутые уже штаммы гриба P. stipticus, несветящиеся мутанты фотобактерий и водорослей динофлагеллят.

Кислород и его активные формы

Что же служит непосредственной причиной свечения? Показано, что для свечения всегда необходим молекулярный кислород или его активные формы. Атом кислорода, помимо основного, устойчивого триплетного состояния, может находиться в нескольких нестабильных, или возбужденных, состояниях. Одно из них – синглетное. Возврат электронов из синглетного состояния в триплетное сопровождается испусканием фотонов, правда, «маленьких», инфракрасных. Свечение же организмов обычно синее или зеленое.

Причина, как полагают, в том, что из возбужденного состояния в основное переходят сразу два или более атомов кислорода и энергии этих переходов суммируются. Одновременно рвутся О–О-связи в циклической и очень нестойкой диоксетановой перекиси, в которую превращается субстрат люциферин при окислении молекулярным кислородом или его активными формами. Их несколько, но главных три: супероксид, перекись водорода (H2O2) и чрезвычайно агрессивный окислитель гидроксил-радикал (OH–).

Активные формы кислорода (АФК) играют огромную роль в жизни организмов. С одной стороны, эти формы – «полуфабрикат» и «брак» дыхания митохондрий – способны окислять что попало в живом организме: ДНК, РНК, белки, липиды. Для защиты от этой опасности организмы вынуждены постоянно синтезировать или потреблять с пищей разнообразные антиоксиданты (в их числе витамины А, С, Е, b-каротин и др.), а также использовать такие ферменты, как супероксиддисмутаза, преобразующая О2– в перекись водорода H2O2, и каталаза, ускоряющая образование воды из перекиси.

С другой стороны, в умеренных количествах АФК продуцируются в любом живом аэробном организме благодаря специальным ферментам, не связанным с процессом дыхания в митохондриях. АФК в низкой концентрации необходимы во многих жизненно важных процессах. Так, эти формы секретируются в импульсном режиме фагоцитами и некоторыми другими клетками для уничтожения паразитических микроорганизмов. АФК участвуют в регуляции клеточного деления, оплодотворения яйцеклетки, а также в запуске «запрограммированной смерти» клеток (апоптоза), в управлении тонусом кровеносных сосудов и т.д. Недавно мы обнаружили, что клетки поверхности ряда водных многоклеточных животных, подобно фагоцитам, тоже выделяют АФК, вероятно, для защиты от гнилостной микрофлоры. Природными (абиогенными) источниками АФК служат ионизирующая радиация, фото- и электрохимические реакции в воде. В частности, АФК образуются при фотолизе воды под действием УФ-излучения.

Мы затронули эти сложные вопросы потому, что работы последних лет доказывают: практически любой люциферин – высокоэффективный антиоксидант, а некоторые люциферазы – пероксидазы. Ферменты такого типа могут дезактивировать H2O2, окисляя с ее помощью определенные субстраты.

Таким образом, вполне возможно, что субстраты и ферменты биолюминесцентных реакций выполняют функции антиоксидантов у ближайших несветящихся родичей биолюминесцентных организмов. Поэтому достаточно одной малой наследственной «поломки» исходной (антиоксидантной) реакции, чтобы в ходе ее появилось хорошо заметное свечение и возник новый признак – биолюминесценция. Его может закрепить естественный отбор.

Как уже говорилось, природой таких предполагаемых нами «излучающих» мутаций пока, к сожалению, никто специально не занимался. Само их обнаружение – дело будущего.

Читать очерк дальше: Свечение организмов и эволюция